Horst Malberg Meteorologie und Klimatologie Eine Einfuhrung 5. Auflage

Horst Malberg

Meteorologie und Klimatologie

Eine Einfuhrung

Fiinfte, erweiterte und aktualisierte Auflage Mit 209 Abbildungen und 56 Tabellen

^ S p r i ringer

Professor Dr. Horst Malberg FU Berlin, FB Geowissenschaften Institut fur Meteorologie Carl-Heinrich-Becker-Weg 6-10 12165 Berlin

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ISBN-10 3-540-37219-9 Springer Berlin Heidelberg New York ISBN-13 978-3-540-37219-6 Springer Berlin Heidelberg New York ISBN 3-540-42919-0 (4. Auflage) Springer Berlin Heidelberg New York

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Fur Petra und Claudia

Vorwort zur 5. Auflage

Seit dem Erscheinen der 4. Auflage sind es die spektakularen Extremwetterlagen gewesen, die zum einen in der Offentlichkeit und den Medien ein breites Echo gefunden haben. Zum anderen setzte sich in der Wissenschaft die Diskussion iiber den Klimawandel und seine Ursachen unverandert fort. Dabei ging es nicht um die Frage, ob eine globale Erwarmung stattgefunden hat, denn diese ist nach den Klimabeobachtungen unstrittig, sondem um die Ursachen der Erwarmung und um deren Zusanmienhang mit singularen Extremwetterereignissen.

Am Nachmittag des 10. JuU 2002 war zwischen Rhein und Oder ein Tempe-raturgegensatz von fast 20 °C (K) entstanden. Wahrend im westlichen Deutsch-land die Temperatur in der eingeflossenen Kaltluft z. T. nur bei 15 °C lag, zeigten die Thermometer im ostUchen Deutschland Werte zwischen 30 und 35 °C an. Im Bereich der ostwarts ziehenden Kaltfront entwickelten sich schwere Schauer und Gewitter, verbunden mit orkanartigen Boen. Innerhalb einer Minute stieg am In-stitut fiir Meteorologie der Freien Universitat Berlin der Wind von Windstarke 2 auf Windstarke 12 an.

Mitte August 2002 kam es zu einem weiteren extremen Wetterereignis in Deutschland, der katastrophalen Elbeiiberschwemmung. Weite Landstriche und viele Orte standen wochenlang unter Wasser. Ursache waren die anhalten-den Regenfalle eines Tiefs, das sich vom Mittelmeer iiber die Alpen nordost-warts verlagert hatte und tagelang gewaltige Wassermassen in das Quellgebiet der Elbe und ihrer Nebenfliisse geschiittet hatte.

Das Jahr 2005 wird als Hurrikan-Rekordjahr in die US-amerikanische Stati-stik eingehen. 15 von 28 tropischen Sturmtiefs entwickelten sich im Nordatlantik zu Hurrikanen. Noch nie zuvor hatte es so viele Hurrikane der starksten Katego-rie 5 (Windgeschwindigkeiten ab 250 km/h) gegeben. Der Hurrikan Katrina lo-ste in den USA die groBte Evakuierungsaktion aller Zeiten aus. Mit meterhohen Flutwellen, tropischen Regenfallen und Orkanwindgeschwindigkeiten wiitete Katrina an der US-Siidkuste; nach Deichbruchen versanken weite Teile von New Orleans in den Wassermassen.

Auf die grundsatzlichen Fragen zur Wetterentwicklung, zur Entstehung extre-mer Wetterlagen, zum Klima und zum Klimawandel soil auch die 5. Auflage dieses Lehrbuchs eine Antwort geben. Das Buch wendet sich zum einen an alle wetterinteressierten Leserinnen und Leser und soil ihnen einen Einblick in die faszinierende Welt der Meteorologie und Klimatologie vermitteln. Dabei ist das Buch so geschrieben, dass es auch ohne die physikalisch-mathematischen Formeln verstandlich bleibt. Sein Ziel ist es, die Zusammenhange von Wetter,

VIII Vorwort zur 5. Auflage

Witterung und Klima mit den Prozessen in der Atmosphare anschaulich zu be-schreiben. Fiir Studierende der Geowissenschaften soil das Lehrbuch eine grund-legende Einfiihrung in Theorie und Praxis des Wetters und Klimas sein, wobei dem Autor gerade die Verkniipfung der Aspekte ein besonderes Anliegen ist.

Im Vergleich mit der 4. Auflage sind zum einen die Ausfuhrungen iiber die Bedeutung der langen Wellen der Hohenstromung fiir unser Wetter wesentlich vertieft worden. Aus aktuellem Anlass werden die Ausfuhrungen sowohl tiber die Entstehung und die Auswirkungen von Hurrikanen als auch zu ihrer klima-bedingten Variabilitat erweitert. Ausfuhrlich wird auf den New-Orleans-Hurri-kan Katrina eingegangen. Ein Kapitel iiber Wettervorhersagemodelle soil einen (jberblick iiber die Aktivitaten der Wetterdienste vermitteln, normale wie ex­treme Wetterereignisse rechtzeitig und zuverlassig vorherzusagen.

Auch zum Klimasystem der Erde als Ganzes sowie zu einzelnen Klimaaspek-ten sind wesentliche Erweiterungen vorgenommen worden. Zum einen wurde die „Genetische Klimaklassifikation" aufgenommen und in einen Zusammen-hang gestellt mit den zusatzlichen Ausfiihrungen zum hemispharischen und zo-nalen Klima. Zum anderen wurde die Klimaentwicklung Mitteleuropas seit dem Beginn der mittelalterlichen Kleinen Eiszeit eingehend betrachtet und seit dem Beginn der Klimabeobachtungen vor uber 300 Jahren anhand der Messdaten analysiert. Auch neue Untersuchungsergebnisse iiber die klimatischen Auswir­kungen der Nordatlantischen Oszillation auf die hemispharischen und globalen Temperaturverhaltnisse werden dargelegt.

Die Ausfiihrungen zu den Ursachen der globalen und hemispharischen Erwar-mung wurden aufgrund jiingster Untersuchungen auf den aktuellen Kenntnis-stand der Klimaforschung gebracht, wobei eine Konvergenz von statistisch signi-fikanten Ergebnissen und Klimamodellrechnungen erkennbar wird. Nicht zuletzt wird aufgezeigt, dass der Klimawandel das Normale auf unserem Planeten ist und welche entscheidende Rolle der Klimawandel bei der Evolution der Menschheit gespielt hat.

Uber 20 weitere Abbildungen sollen zur Anschaulichkeit und zur VerstSnd-lichkeit des Buchs beitragen.

Sommer 2006 Horst Malberg

Vorwort zur 4. Auflage

Wenn man nach dem meteorologischen Schlagwort des Jahres 1997 fragt, so war es das Wort „E1 Nino". Ausgiebig befaBten sich die Medien mit diesem Ozean-Atmosphare-Phanomen, das im tropischen Pazifik zwischen Siidamerika und Australien auftritt. Alle weltweit beobachteten auBergewohnlichen Witterungs-erscheinungen wurden in einen Zusammenhang mit El Nino gebracht. Selbst Schulkinder wurden auf das Ereignis, von dem plotzlich alle sprachen, aufmerk-sam, so da6 mich eines Tages im Institut ein kleines Madchen anrief und sagte: Im Femsehen reden die dauemd von „Emilio". Was ist das eigentlich?

Dieses allgemeine Interesse, das einem der Wissenschaft seit langem bekann-ten Phanomen entgegengebracht wird, hat mich veranlaBt, es in dieser Auflage ausfiihrlicher zu behandeln. Die Diskussion (iber El Nino hatte noch einen wich-tigen Nebeneffekt. Wurde doch damit fiir die breite Offentlichkeit deutlich, daB es neben dem anthropogenen EinfluB auf das Klima auch noch eine Reihe natiir-licher klimaverandemder EinfluBfaktoren gibt.

Bei jeder Klimaschwankung steht daher die meteorologische Wissenschaft vor der schwierigen Frage, was ist davon auf natiirliche Ursachen und was auf den Menschen zuruckzufuhren. Bisher gibt es dazu noch keine abschlieBende Antwort. Dieses wird insbesondere in Kap. 13.4 deutlich, wo der Zusammen­hang zwischen der Erwarmung in Mitteleuropa seit 1850 und der Sonnenaktivi-tat der letzten 150 Jahre gezeigt wird.

Neben den neuen Kapiteln iiber El Nino bzw. iiber ENSO sowie uber den Zu­sammenhang von Sonnenflecken und Klimaanderungen wurden Aktualisierun-gen bei einigen Abbildungen sowie Erganzungen im Text vorgenommen, so z.B. iiber die lufthygienischen Verhaltnisse in Talem.

Das Ziel dieser Einfiihrung bleibt es weiterhin, den am Wetter und Klima interessierten Studierenden der Geowissenschaften ein verstandliches und an-schauliches Lehrbuch iiber das faszinierende Gebiet der Meteorologie und Kli-matologie an die Hand zu geben und sie auf dieser Grundlage zu ermutigen, sich mit der weiterfiihrenden Literatur zu beschaftigen.

Aber auch fiir alle wetter- und klimainteressierten Laien ist das Buch mit sei-nen zahlreichen Abbildungen gut geeignet, wie die positiven Buchbesprechun-gen von Lesem im Internet zeigen. Seine Sachverhalte bleiben auch dann ver-standlich, wenn man die physikalisch-mathematischen Ableitungen iiberliest und sein Interesse ganz auf die Phanomene des Wetters und des Klimas in ihren vielfaltigen Auspragungen konzentriert.

Berlin, 2001 Horst Malberg

Vorwort zur 3. Auflage

Es erfuUt jeden Autor mit besonderer Freude, wenn sein Werk von den interes-sierten Lesern angenommen wird. So hat mich auch die Nachricht des Sprin-ger-Verlags, daB die 2. Auflage nach nur 3 Jahren vergriffen sei, angenehm uberrascht. An dieser Stelle mochte ich mich zugleich fur die gute Ausstattung des Buches bedanken.

In der 2. Auflage lag mein Hauptaugenmerk auf der EUmination von Feh-lerteufelchen aus der Erstausgabe. In der 3. Auflage soUen nun v. a. meine jiingsten Forschungsergebnisse die Grundlagen zur Meteorologie und KUma-tologie erweitern. So werden zum einen detailHerte Aussagen zur dreidimen-sionalen Struktur von Kaltfronten sowie den damit im Mittel verbundenen lokalen Wetterablaufe gemacht. Zum anderen werden die grundsatzlichen Aus-fiihrungen zum Treibhauseffekt durch Untersuchungsergebnisse im atlantisch-europaischen Bereich erganzt und die Zusammenhange von KHmaschwankun-gen und Anderungen der groBraumigen Zirkulation aufgezeigt.

Es bleibt weiterhin das Ziel des Lehrbuchs, dem an Wetter und Klima inter-essierten studentischen NeuHng der Geowissenschaften eine verstandUche und anschauHche Einftihrung in das faszinierende Gebiet der Meteorologie und Klimatologie zu geben und ihn zu ermutigen, sich mit der weiterfiihrenden Literatur zu beschaftigen.

Aber auch fiir die groBe Gruppe der wetter- und klimainteressierten Laien ist das Buch mit seinen zahlreichen Abbildungen geeignet. Seine Sachverhalte bleiben auch dann verstandHch, wenn von den mathematisch-physikalischen Ableitungen kein Gebrauch gemacht wird und das Interesse sich ganz auf die Phanomene des Wetters und des Klimas in ihren vielfaltigen Auspragungen konzentriert.

BerUn, 1997 Horst Malberg

Vorwort zur 2. Auflage

Seit dem Erscheinen der 1. Auflage dieser Einfuhrung in die faszinierende The-matik der Meteorologie und Klimatologie sind mir 17 Buchbesprechungen bekannt geworden. 14 davon haben wohlwollend den Gesamtinhalt des Buches in den Vordergrund gestellt, 3 die Unzulanglichkeiten. Beide Arten haben mir geholfen. Die erste Gruppe hat mich ermutigt, die neue Auflage in Angriff zu nehmen. Die Kritik der zweiten Gruppe, sofern sie sachlich war, hat mein Augenmerk auf die Schwachpunkte meiner Erstausgabe gelenkt. Ein Kollege hat zu mir einmal in bezug auf seine Autorenschaft gesagt: „nie wieder**. Dieser Ansicht wollte ich mich nicht anschheBen, denn es gibt zu wenige deutschsprachige Einfuhrungen in unser Fachgebiet.

Wie notwendig m.E. eine konventionelle Einfuhrung in unsere angewandte Wissenschaft ist, wurde mir erst unlangst nach einem Test mit meteorologisch vorgebildeten Studenten der Geowissenschaften deutUch. Auf die Fragen, wel-che Windrichtung und Wettererscheinungen erwarten Sie bei uns, wenn das Zentrum eines ausgedehnten Tiefs iiber Polen liegt, und welche durchschnitt-lichen Hochst- und Tiefsttemperaturen sowie Niederschlagsmengen treten in den Sommer- und Wintermonaten auf, waren die Antworten mehr Dichtung als Wahrheit. Auch die beste mathematisch-physikaiische Ausbildung ist erst dann optimal, wenn sie durch Anschaulichkeit untersttitzt wird, wenn Glei-chungen sich mit einem Bild von den atmospharischen Vorgangen verbinden. Dank der vieljahrigen Wetterdiensttatigkeit unseres Instituts stand mir dabei ein umfangreiches Datenmaterial von den stadtklimatologischen Beobachtun-gen uber synoptische Karten und Satellitenbilder bis zu globalen klimatologi-schen Werten zur Auswertung zur Verftigung.

Dieses Buch hat sich zum Ziel gesetzt, den interessierten Neulingen auf moglichst verstandliche und anschauliche Weise den Einstieg in die Meteorolo­gie und Klimatologie zu ermogHchen und sie zu ermutigen und in die Lage zu versetzen, sich mit der weiterftihrenden Literatur zu beschaftigen. Fiir den wetter- und kUmainteressierten Laien soil diese Einfuhrung auch dann noch verstandUch sein, wenn er von den mathematischen Ableitungen keinen Ge-brauch macht.

Berlin, Friihjahr 1994 Horst Malberg

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 1

2 Atmosphare 5

2.1 Chemische Zusammensetzung der Luft 5 2.2 Atmospharische ZustandsgroBen 7 2.3 Tagesgang der ZustandsgroBen 13 2.4 Jahresgang der ZustandsgroBen 17 2.5 Anderungen der ZustandsgroBen mit der Hohe 20 2.6 Vertikale Stabilitat der Atmosphare 23 2.7 Gesetze 28 2.8 Potentielle Temperatur 33 2.9 lonosphare 35

3 Strahlung 37

3.1 Strahlungsspektrum 37 3.2 Herkunft der Strahlung 38 3.3 Die Solarkonstante 39 3.4 Wirkung der Erdatmosphare auf die Solarstrahlung 39 3.5 Mittlerer Haushalt der einfallenden Solarstrahlung 44 3.6 Solar-, Global- und Himmelsstrahlung 45 3.7 Warmestrahlung der Erde 47 3.8 Strahlungsbilanz 51

4 Luftbewegung 53

4.1 Krafte bei reibungsfreier Bewegung 54 4.2 Reibungskraft 65 4.3 Die voUstandige Bewegungsgleichung 67 4.4 Turbulenz 68 4.5 Vertikale Windverhaltnisse 73 4.6 Strahlstrome 82

5 Wolken und Niederschlag 86

5.1 Verdunstung 86 5.2 Besonderheiten des Sattigungsdampfdrucks 87

XIV Inhaltsverzeichnis

5.3 Wolkenbildung 89 5.4 Wolkenklassifikation 94 5.5 Wolkenbildung und thermodynamisches Diagramm 99 5.6 Gewitter 101 5.7 Tau und Nebel 104

6 Luftmassen, Frontalzone und Polarfront 107

6.1 Luftmassen 107 6.2 Grenzgebiete zwischen Luftmassen: Frontalzonen 114 6.3 Polarfront 116

7 Zyklonen und Antizyklonen 123

7.1 Tiefdruckgebiete 124 7.2 Fronten der Zyklonen 128 7.3 Zusammenhang von Bodenfronten und Hohenwetterkarte . . . 144 7.4 Kaltlufttropfen 146 7.5 Tropische Zyklonen - Tropische Wirbelsturme 151 7.6 Tornados, Tromben und Staubteufelchen 158 7.7 Hochdruckgebiete 158 7.8 Inversionen 164 7.9 Stromungseigenschaften: Zirkulation, Vorticity, Divergenz . . . 167 7.10 Ursache von Druckanderungen 171 7.11 Stromungsschema in Zyklonen und Antizyklonen 173 7.12 GebirgseinfluB auf die Luftstromung 178 7.13 Orographisch induzierte Zyklonen 180 7.14 Die langen Wellen 184

8 Wetter- und Klimabeobachtung 189

8.1 Bodenbeobachtungen 190 8.2 Klimabeobachtung 202 8.3 Von der synoptischen Beobachtung zur Wetterkarte 203 8.4 Radiosondenbeobachtung 208 8.5 Radar und Sodar 209 8.6 Wettersatellitenbeobachtung 210 8.7 Meteorologische Erscheinungen im Satellitenbild 217

9 Wettervorhersage 233

9.1 Numerische Wettervorhersage 234 9.2 Lokale und regionale Wettervorhersage 242 9.3 Giite der Wettervorhersage 247 9.4 Statistische VerifikationsmaBe 251 9.5 Vorhersagenmodelle des DWD 252

Inhaltsverzeichnis XV

10 Allgemeine atmospharische Zirkulation 253

10.1 Druck- und Stromungsverhaltnisse im Meeresniveau 254 10.2 Druck- und Stromungsverhaltnisse in der freien Atmosphare

auf der Nordhalbkugel 258 10.3 Vertikale Temperatur- und Zirkulationsverhaltnisse 265 10.4 Stratospharenerwarmungen 270

11 Klima und Klimaklassifikation 271

11.1 Definition 271 11.2 Klimaklassifikation 273 11.3 Die genetische Klimaklassifikation (nach H. Flohn) 278 11.4 Ubersicht iiber die Klimagebiete (nach Koppen 1918) 280 11.5 Vertikale Klimaghederung der Gebirge 290 11.6 Maritimer und kontinentaler Klimatyp 291 11.7 Klimadiagramme 294 11.8 Die Erdoberflache 295 11.9 Das nord- und sudhemispharische Klima 296 11.10 Mittlere zonale Klimaverhaltnisse 297

12 Klimaschwankungen - Klimaanderungen 301

12.1 Das Klimasystem der Erde 303 12.2 Die Evolution des Menschen 304 12.3 Klima in geologischer Vorzeit 307 12.4 Nacheiszeitliche Klimaentwicklung in Mitteleuropa 311 12.5 Instrumentelle Meteorologie 312 12.6 Klimaentwicklung Mitteleuropas seit 1701 314 12.7 Ursache von Klimaanderungen 316

13 Aktuelle Klimaprobleme 320

13.1 Der anthropogene Treibhauseffekt 320 13.2 Klimamodelle 323 13.3 Aktuelle Klimaschwankungen 325 13.4 Klimaanderung und Sonnenflecken 329 13.5 Die globale Erwarmung 333 13.6 ENSO 337 13.7 Die Nordatlantische Oszillation (NAO) 342

14 Kleinraumige Windsysteme 345

14.1 Land- und Seewind 345 14.2 Berg- und Talwind 347 14.3 Fohn 348 14.4 Kanalisierte Winde 352 14.5 Bora, Schirokko, Chamsin 353

XVI Inhaltsverzeichnis

15 Stadtklima 354

15.1 Warmeinsel 354 15.2 Feuchteverteilung 357 15.3 Windverhaltnisse 359 15.4 NiederschlagseinfluB 360 15.5 Klimatologische Stadtplanung 363

16 Anthropogene Luftverunreinigung 366

16.1 Wetterlage und Luftbelastung 367 16.2 Emission und Immission 372 16.3 Smog 373 16.4 Ausbreitungsrechnung 376

17 Wetterbeeinflussung 381

17.1 Nebelauflosung 381 17.2 Hagelbekampfung 382 17.3 Regenerzeugung 383 17.4 Wirbelsturmbeeinflussung 383

18 SchluBbetrachtungen 385

Literatur 388

Sachverzeichnis 392